Hệ thống điều khiển các hệ truyền động khí nén phải đảm bảo việc đóng mở các van phân phối tương ứng với các điều kiện làm việc cho. Các phương pháp cho điều kiện làm việc của máy tự động và phương pháp hiện thực chúng rất đa dạng. Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc thường được cho dưới dạng các chu trình ( Biểu đồ) làm việc. Đó là một dạng đồ thị quy ước biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành.
Trang 1Chơng 5 Tự động hoá với các phần tử khí nén 5.1 Khái niệm chung.
Hệ thống điều khiển các hệ truyền động khí nén phải đảm bảo việc đóng mở các van phân phối tơng ứng với các điều kiện làm việc cho Các phơng pháp cho
điều kiện làm việc của máy tự động và phơng pháp hiện thực chúng rất đa dạng Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc thờng đợc cho dới dạng các chu trình ( Biểu đồ) làm việc Đó là một dạng đồ thị quy ớc biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành
Chu trình làm việc là một trình tự xác định dịch chuyển của cơ cấu chấp hành
mà sau khi thực hiện xong chúng lại trở về vị trí ban đầu Hoạt động của máy sẽ thể hiện trong việc thực hiện tuần tự các chu trình làm việc nối tiếp nhau Với các máy
có hệ truyền động khí nén, các điều kiện làm việc cũng có thể đợc mô tả bằng các chu trình hoặc biểu đồ trình tự làm việc, nhng thời gian của mỗi một chu trình làm việc không xác định bởi vận tốc của các cơ cấu chấp hành phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố phụ mà ta có thể điều chỉnh đợc
Các hệ truyền động- tự động khí nén làm việc theo chu trình đợc chia theo kiểu
điều khiển thành ba nhóm:
1 Điều khiển theo vị trí
2 Điều khiển theo thời gian
3 Điều khiển theo áp suất
Trang 3
Từ các cảm biến vị trí X11 và X12 các tín hiệu về vị trí của các cơ cấu chấp hành đợc báo tới hệ điều khiển, trên cơ sở đó, tạo lập các lệnh điều khiển f và f Trong các hệ điều khiển khí nén các cảm biến vị trí trên thờng là các van hành trình 3/2 thờng ngắt (Tức ở vị trí đầu, cửa ra của van nối với đờng xả) hoặc thờng mở (ở vị trí đầu, cửa ra của van nối với áp suất nguồn) Hệ điều khiển có thể còn bao gồm các công tắc khí nén ( Cũng van tơng tự, điều khiển bằng tay với hai vị trí cố định), công tắckhởi động h, các thiết bị giữ chậm, các phần tử logic v v…
Số các cơ cấu chấp hành đợc điều khiển trong hệ thống có thể là 1, 2, 3, …hoặc hơn nữa Để điều khiển các hệ có số cơ cấu chấp hành lớn có thể sử dụng các thiết bị điều khiển dạng bớc hoặc số
Hệ điều khiển theo thời gian (Hình 5.2) có thể thực hiện nhờ các cơ cấu cam – thời gian thực hiện một chu trình và đờng phân các chu kỳ riêng biệt của nó ở đây đợc xác định bởi prôfin của cam (1) và vận tốc quay của nó (ω)
Các hệ điều khiển theo áp suất có thể coi nh các biến thể của hệ điều khiển theo vị trí Chúng đợc sử dụng trong các trờng hợp khi cần pít tông dịch chuyển những khoảng khác nhau phụ thuộc vào kích thớc của chi tiết đợc gia công, hoặc do khó khăn trong việc lắp đặt các công tắc cuối hành trình với cần pít tông vơn dài Để
Trang 4-81-điều khiển các van phân phối trong trờng hợp này cần sử dụng các van nối liên tục (Hình 5.3)
Nhợc điểm của hai cách điều khiển trên là khi tải thay đổi đột ngột hoặc khi các thông số khí thay đổi, chuyển động của cơ cấu chấp hành có thể xảy ra trớc Bởi vậy các hệ điều khiển theo vị trí, trong đó chuyển động của từng cơ cấu chấp hành chỉ có thể bắt đầu theo một trình tự vị trí xác định của tất cả các cơ cấu chấp hành còn lại là phổ biến nhất trong các hệ truyền động- tự động khí nén
Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ để đa tín hiệu tới đổi
vị trí các van phân phối, ngoàI vị trí của các cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạt các thông tin về đối tợng đợc gia công, ngoài vị trí của các cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạt các thông tin về đối tợng đợc gia công, dụng cụ, các vấn đề về an toàn lao động Ngoài ra, hệ điều khiển cần tính đến khả năng phải thay đổi trình tự…chuyển động của các cơ cấu chấp hành, sự can thiệp của ngời điều khiển tại từng công đoạn bất kỳ của chu trình làm việc và các yếu tố khác
Xây dựng các hệ điều khiển khi mà lệnh để đóng mở các van phân phối đợc xác định bởi hàng loạt điều kiện sẽ trở nên khá phức tạp, đòi hỏi phảI có nhiều kinh nghiệm Khó khăn sẽ tăng lên đáng kể nếu nh phải tính đến điều kiện tối thiểu số
Trang 5các phần tử đợc dùng để thiết lập hệ điều khiển Để giúp những ngời làm thiết kế các hệ điều khiển có thể sử dụng các phơng pháp logic để thiết lập hệ thống điều khiển và ở đây các định luật và các quan hệ đại số logic- đã đợc sử dụng rộng rãI để xây dựng các hệ điều khiển khí nén phức tạp cho các hệ truyền dẫn khí nén của các máy tự động
Vài nét về các hệ điều khiển logic:
Đa số các hệ thống tự động sử dụng trong thực tế- trong đó kể cả hệ truyền
động- tự động khí nén, thuộc nhóm các hệ thống điều khiển ngắt quãng Hệ điều khiển của các hệ thống tự động này đợc xây dựng dựa trên các cơ sở của lý thuyết
điểu khiển lôgíc( hay rơle)
Trên hình 51a là sơ đồ khối tổng quát của hệ điêù khiển lôgíc ( rơle).Các tín hiệu
đầu vào: X1 , X2 …Xm và các tín hiệu đầu ra: Z1, Z2 … Zn đều là các tín hiệu nhị phân (có hai giá trị: 0 hoặc 1) Các phép tính thực hiện trên các tín hiệu này đều dựa trên các quy tắc và tính chất của đại số lôgíc, Giá trị đầu vào và giá trị đầu ra của thiết bị
điều khiển lôgíc, là tổ hợp tơng ứng của tất cả các tín hiệu vào {Xm} và tín hiệu ra {Zn} tại cùng một thời điểm xét
-83-Hệ
điều khiển lôgíc
.
b)
Thiết
bị điều khiển rơ le
.
Mạch nhớ lôgic
c)Hình 5.4 Sơ đồ khối hệ điều khiển logic
a, Sơ đồ tổng quát
b, Sơ đồ hệ điều khiển đa bước
c, Sơ đồ hệ điều khiển đa bước
Trang 6Nh vậy, tại một thời điểm bất kỳ thiết bị điều khiển logic luôn luôn đợc đặc trng bởi những giá trị xác định các tín hiệu vào và các tín hiệu ra.Nếu nh ta khảo sát làm việc của hệ điều khiển tại một dãy các thời điểm ta sẽ nhần thấy- tơng ứng với một dãy các tín hiệu đầu vào {Xm} sẽ có một dãy các tín hiệu đầu ra{Zn} xác
định.Mối quan hệ giữa {Zn}là{Xm} đợc thể hiện bằng lời vănhoặc bằng các công thức quy ớc đợc gọi là các điều kiện làm việc của các hệ điều khiển lôgíc (hay rơle)
Hệ điều khiển lôgíc đợc gọi là đơn bớc( khi quan hệ{Zn}- {Xm}là quan hệ
đơn trị) và đa bớc( nếu quan hệ {Zn}- {Xm}là đa trị- tức ứng với một giá trị{Xm}có thể có nhiều giá trị của {Zn})
Sơ đồ khối của các hệ điều khiển đơn bớc và đa bớc, tơng ứng đợc trình bày trên các hình 5.4b và c Nh trên hình vẽ ta thấy – trong hệ điều khỉên đa bớc, ngoài khối điều khiển lôgíc có nh trong hệ đơn bớc còn có khối điều khiển có nhớ Tổ hợp các tín hiệu đầu ra của khối nhớ {Ys}tại cùng một thời điểm sẽ xác định trạng thái bên trong của thiết bị điều khiển Cũng tại cùng một thời điểm xét, tổ hợp toàn bộ các tín hiệu đầu vào {Xm}và trạng thái trong của thiết bị điều khiển lôgíc {Ys}sẽ là trạng thái đầy đủ của toàn bộ hệ thống điều khiển Rõ ràng là, tại từng thời điểm ra luôn có mối quan hệ đơn trị giữa các tín hiệu đầu ra{Zn}và trạng thái đầy đủ của hệ thống điều khiển: {Xm}; {Ys} ở đây ta thấy- hệ đơn bớc chỉ là một trờng hợp riêng của hệ đa bớc mà thôI khi {Ys}không hiện diện trong hệ thống điều khiển( hệ điều khiển chỉ có một trạng thái trong)
Khoảng thời gian giữa hai trạng thái đầy đủ kề nhau của hệ thống điều khiển lôgíc đợc gọi là bớc làm việc của nó và đợc ký hiệu bằng các số của dãy số tự nhiên: 1,2,3 i Ta ký hiệu P… 1, P2 ({ Pn})- các giá trị tín hiệu của tổ hợp đầu vào λ1, λ2 λc
– ({λc})- các giá trị tổ hợp các tín hiệu đầu ra : X1, X2 λk – ({Xk})- các giá trị tổ hợp các trạng tháI trong hệ điều khiển lôgíc
Khi đó, làm việc của hệ điều khiển lôgíc mô tả bằng các quan hệ cơ bản sau:
λ(i) = ψ[ P(i), X(i)];
x(i+1) = F[ P(i), λ(i)];
ở đây: ψ, F – tập hợp các hàm lôgíc mà nhờ chúng, theo các giá trị của trạng tháI đầy đủ đợc biết( tập hợp [ P(i), X(i)] có thể xác định đợc giá trị của tíh hiệu đầu ra λ(i) – ở bớc “i” và trạng thái trong của hệ điều khiển x(i+1) – ở b-ớc(i+1)
Hai biểu thức ở trên thực chất là cách viết quy ớc hệ các phơng trình lôgíc sau:
Trang 7Z1(i) = ϕ1 [X1(i) X … m(i), Y1(i) Y … s(i);
Zn(i) = ϕn [X1(i) X … m(i), Y1(i) Y … s(i);
Y1(i+ 1) = f1 [X1(i) X … m(i), Y1(i) Y … s(i);
Ys(i+1) = fs [X1(i) X … m(i), Y1(i) Y … s(i);
ở đây:ϕ1…ϕn và f1… fs- là các hàm lôgíc để xác định các tín hiệu ra Z1… Zm
ở bớc “i” và Y1 Ys ở bớc (i+1) theo các giá trị tín hiệu vào (X1… Xm) và (Y1…
Ys) ở bớc“i”
Tập hợp các hàm lôgíc: ψ = ϕ1…ϕn và F = f1… fs tơng ứng đợc gọi là hàm biến đổi đầu ra và hàm biến đổi trạng tháI trong ( hay mạch phản hồi)
Nh vậy, nếu cho trớc các quan hệ cơ bản trên trạng thái trong ban đầu của hệ
điều khiển lôgíc ta có thể xác định các dãy tín hiệu vào và tơng ứng là dãy tín hiểua của nó
Các biểu thức và còn cho phép ta xác định cấu trúc củe hệ điều khiển lôgíc – tức thành phần của các phần tử và các mối liên hệ tạo nên hệ điều khiển, theo đó diễn ra sự tác động qua lại giữa chúng với nhau và giã kênh tín hiệu đầu vào và đầu
ra của hệ điều khiển Chính vì vậy bài toán cơ bản phải giải khi tổng hợp hệ điều khiển lôgíc và việc xác định đợc các biểu thức quan hệ theo các điều kiện làm việc của nó( hàm điều khiển)
Phân biệt hai loại hệ điều khiển lôgíc: hệ đồng bộ và hệ dị bộ Trong loại
đầu, các giá trị đầu vào đợc tiếp nhận và diễn ra các biến đổi- thực hiện theo …… chỉ tại các thời đỉểm khi các tác động đợc đa vào một kênh đặc biệt đợc tách riêng( kênh đồng bộ – các kênh còn lại đợc gọi là các kênh thông tin) Trong các
hệ dị bộ không có kênh đồng bộ đợc tách riêng nh ở trên
Đa số các hệ điều khiển của các thang máy và dây chuyền tự động (kể các hệ truyền động – tự động khí nén) đều là các hệ dị bộ Bởi vậy, ta sẽ chỉ xét mô hình các hệ điều khiển loại này
Các điều kiện làm việc của các hệ điều khiển lôgíc( dị bộ) thờng đợc mô tả bằng các phơng pháp quy ớc, trong đó hay dùng hơn cả là phơng pháp mô tả bằng các bảng đóng mở hoặc bằng các biểu đồ trạng tháI làm việc
Trong khuôn khổ giáo trình này, ta sẽ đi sâu nghiên cứu và sử dụng các
ph-ơng pháp biểu đồ trạng thái để giải bài toán tổng hợp điều khiển cho các hệ truyền
động – tự động khí nén làm việc theo chu trình
5.2 Nguồn khí nén.
Trang 8
-85-Thiết bị nguồn khí nén là các thiết bị tạo ra và cho phép thu đợc năng lợng của không khí bị nén dới một áp suất nhất định để dùng trong các hệ truyền động.
Trong các hệ truyền động khí nén của các máy và dây chuyền công nghệ tự
động sử dụng thiết bị nguồn là các loại máy nén khí khác nhau, trong đó thờng gặp hơn cả là các máy nén kiểu pít tông ( một hoặc hai cấp) áp suất khí nén cần cung cấp ở đây thờng không vợt quá 0,8 Mpa
Để chuyển tải dòng khí nén tới các điểm tiêu thụ ta sử dụngcác đờng ống dẫn khi Trong một số trờng hợp các đờng ống dẫn này có thể đóng vai trò là các kênh
điều khiển của từng thiết bị khí nén riêng biệt Trong các hệ truyền động khí nén cũng sử dụng các đờng ống và cách lắp ráp tơng tự nh trong các hệ thống thuỷ lực Khi tính chọn các đờng ống dẫn khí nén cần lu ý vận tốc dòng khí trong đờng ống dẫn đợc chọn thờng không vợt quá 17m/s
Về kết cấu, các cơ cấu chấp hành khí nén rất đa dạng và phong phú về kiểu loại, kích thớc phụ thuộc vào đặc điểm làm việc và ứng dụng Th… ờng ngời ta phân biệt: Nhóm các cơ cấu chấp hành khí nén thực hiện chuyển động tịnh tiến (Các xy lanh khí nén, xy lanh màng, xin- fôn ) và nhóm các cơ cấu chấp hành khí nén thực…hiện chuyển động quay ( Các động cơ rô to khí nén, xy lanh quay và động cơ lắc khí nén ).…
Các cơ cấu chấp hành khí nén là một thành phần cơ bản của mọi hệ truyền
động khí nén Chất lợng làm việc của chúng chính là chất lợng làm việc của hệ thống truyền động khí nén
Bởi vậy lý thuyết truyền động khí nén giành phần đáng kể để khảo sát, nghiên cứu và xây dựng các phơng pháp tính toán, thiết kế, thử nghiệm các cơ cấu chấp hành khí nén đặc biệt là loại xy lanh- pít tông, là loại cơ cấu chấp hành đợc sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ truyền động khí nén
5.3.2 Thiết bị phân phối.
Các thiết bị phân phối khí nén bao gồm các loại khoá, van phân phối ( Kiểu con trợt trụ tròn hoặc phẳng) Những thiết bị này dùng để hớng dòng khí nén tới các khoang làm việc của cơ cấu chấp hành khí nén hoặc xả từ đó ra ngoàI khí quyển Theo phơng pháp điều khiển, các van phân phối khí nén có thể là loại điều khiển
Trang 9bằng tay, cơ, điện hoặc khí nén Chúng còn đợc chia thành loại điều khiển một phía hoặc điều khiển hai phía Các van phân phối khí nén thờng đợc ký hiệu căn cứ theo
số cửa và vị trí làm việc của van Ví dụ: van 2 cửa, 2 vị trí ký hiệu: 2/2; van 4 cửa, 3
vị trí- đợc ký hiệu: 4/3…
5.4 Thiết bị điều khiển.
Các thiết bị điều khiển khí nén là những thiết bị dùng để tạo lập và bảo đảm trình tự chuyển động của bộ phận công tác của các hệ thống máy móc Chúng bao gồm toàn bộ các loại van điều khiển (nh công tắc hành trinh ), các phần tử thuật…toán logi, các phần tử trễ, nhớ, rơ le thời gian và các loại phần tử tự động khác.…Chúng đợc liê+n hệ với nhau theo những sơ đồ chức năng nhất định để đảm bảo trình tự làm việc cho trớc của các bộ phận công tác Những sơ đồ nh vậy đợc gọi là các sơ đồ điều khiển của hệ thống truyền động khí nén Tổng hợp những hệ thống
điều khiển nh vậy đợc tiến hành dựa trên các phơng pháp phân tích trạng tháI và đại
sử dụn g trong đại số lôgíc:
+ Phép giao hoán: x.y = y x; và : x+ y = y + x
+ Phép nhóm : x.y.z = (x.y).z = x (y.z) = (x.z ).y
và x+y+z = (x+y)+z = (y+z) +x = (x+z )+ y;
+ Phép phân phối: x.y + x.z = x (y+z);
Trang 10-87-x+ x = 1 ; x.x = 0;
Để có thể hiểu rõ hơn việc ứng dụng các phép tính lôgíc cơ bản ở trên ta xét một ví dụ dới đây:
Giả sử có quan hệ lôgíc sau:
f = x.y.z +x.y.z + x y z + x.y z.
Yêu cầu phảI biến đổi nó sao cho thu đợc dạng tối giản của biểu thức trên
ởđây ta có: x,y,z là các biến lôgíc, còn f- hàm lôgíc
Sử dụng tính chất của phép lặp lôgíc ở trên ta có thể viết lại Nh… sau:
f =(x.y.z +x.y.z) + (x.y.z + x y z) + (x.y.z + x.y z).
đó để đảm bảo theo đợc mối quan hệ trên
Việc thực hiện các sơ đồ lôgíc điều khiển nh vậy đợc tiến hành nhờ các mạch phần
tử lôgíc- đợc gọi là các phần tử lôgíc( hay các phần tử tự động) cơ bản Mỗi một phần tử nh thế có kết cấu cho phép thực hiện một trong những phép tính lôgíc cơ bản đợc nói tới ở trên
Tuỳ thuộc vào loại năng lợng đợc sử dụng trong làm việc, các phần tử tự động (phần
tử lôgíc) có thể là các phần tử tự động điện, điện tử, thuỷ lực và khí nén
Trong khuôn khổ các hệ truyền động – tự động khí nén ta sẽ chỉ quan tâm và xét
đến các phần tử tự động khí nén và việc sử dụng chúng để hiện thực để thực hiện cácphép tính và tham số lôgíc cũng nh việc xây dựng và tổng hợp các hệ điều khiển lôgíc và chúng ta sẽ đI nghiên cứu các phần tử loại này
5.5.2 Khái lợc về các phần tử tự động khí nén và việc hiện thực các phép tính cơ bản trên chúng.
Trong thực tế ứng dụngcác hệ truyền động – tự động khí nén ngời ta sử dụng nhiều loại phần tử tự động khí nén khác nhau để xây dựng hệ điều khiển cho chúng phụ thuộc vào dải áp suât làm việc, các phần tử tự động khí nén đợc chia làm ba nhốm chính:
a) Nhóm các phần tự động khí nén làm việc ở dải áp suất cao
Plv = ( 0,24- 0,63) Mpa
Các phần tử thuộc nhóm này thờng có kết cấu kiểu van trợt ( với con trợt dạng hình tròn hoặc phẳng) Toàn bộ các loại van thông thờng là thuộc nhóm này và chúng đợc cấu tạo với đờng kính lỗ thông quy ớc ( dqu- hay dy) tiêu chuẩn phụ thuộc vào tải lu lợng làm việc của chúng Các phần tử( các van) này có thể đợc
Trang 11điều khiển bằng tay( cơ) điện, hoặc khí nén và thờng đợc quy ớc ký hiệu theo số cửa vị trí làm việc của chúng.
b) Nhóm các phần tử tự động khí nén làm việc với dảI áp suất trung bình
DảI áp suất làm việc trung bình với truyền động – tự động khí nén đợc quy định
là từ 0,14 Mpa đến 0,24 Mpa Nhóm các phần tử khí nén loại này htờng có kết cấu dạng màng, bi, xinfôn trong đó, phổ biíen nhất là các phần tử tự động kiểu…màng Một trong những hệ phần tử tự động khí nén kiểu màng khá tiêu biểu và
có nhiều ứng dụng là hệ các phần tử khí nén công nghiệp vạn năng USEPPA( của Liên Xô cũ) Dới đây ta sẽ tìm hiểu chi tiết hết các phần tử này và việc thực hiện các phép tính lôgíc điều khiển trên chúng
Hệ các phần tử khí nén công nghiệp vạn năng ( gọi tắt là USEPPA) bao gồm các phần tử( cả liên tục và ngắt quãng )mà mỗi một trong chúng sẽ cho phép thực hiện
đợc các phép tính đơn giản nhất Tập hợp các phần tử của USEPPA có chừng trên 40 loại phần tử khác nhau, từ các tụ trở khí nén các phần tử khẳng định, phủ định, các
bộ phận khuyếch đại,giữ chậm đến các trigơ khí nén và cả các loại công tắc, bộ…biến đổi, đèn báo và chỉ thị tín hiệu Trên cơ sở các phần tử của hệ USEPPA có thể xây dựng các mạch điều khiển lôgíc cơ bản và cả toàn bộ hệ điều khiển phức tạp cho các hệ thống tự động khác nhau
c) Nhóm các phần tử tự động khí nén làm việc ở dải áp suất thấp.
Các phần tử tự động khí nén làm việc ở dảI áp suất thấp chủ yếu là các phần
tử tia khí nén Nguyên lý làm việc của các phần tử loại này dựa trên sự tác động của các dòng tia khí với nhau, hoặc với thành các kênh dẫn hoặc dựa trên hiệu ứng rối hoá, xoáy hoá của các dòng tia khí nén Trong kết cấu của các phần tử tia khí nén…không sử dụng các chi tiết động Chính vì vậy mà thời hạn hoạt động của chúng d-ờng nh không bị giới hạn và có thể đáp ứng tần số làm việc lớn( tới vài trăm hz) Dải
áp suất làm việc của phần tử tia khí rất thấp: Từ 0,01 đến 0,15.10-5Pa cho nên chúng
ít bị ảnh hởng bởi rung động, nhiệt độ và các điều kiện khắc nghiệt khác của môi…trờng
Các phần tử tia này thờng đợc chế tạo hàng loạt bằng các vật liệu rẻ tiền( nhựa ) theo những gam phần tử cơ bản khác nhau và tập hợp thành hệ các phần
tử tự động hòan chỉnh phục vụ cho việc xây dựng các mạch lôgic điều khiển riêng rẽ
và các hệ điều khiển nói chung
Trong thực tế gặp rất nhiều loại hệ các phần tử khí nén nh vậy( ví dụ SMST, VONGA, AIRLOG ).…
5.5.3 Biểu diễn phần tử logic của khí nén.
